小直徑敞開式的TBM卡機脫困技術研究

安 倉

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司，新疆 博樂 833300）

使用TBM（Tunnel Boring Machine，即利用全斷面隧道掘進機進行隧道施工）方法進行隧道工程施工，很難避開地質條件較差的區域，較易出現TBM卡機現象，甚至直接導致工程受阻。為解決TBM卡機問題，有關機構制定了多種脫困方案，如直徑8.0 m的敞開式TBM在密集地帶使用化學灌漿方式對隧道予以加固的方法[1]。采用這種方法雖然可以取得一定的效果，但是對于某些地質狀況復雜的工程而言，會有諸多限制。本研究所依托的ABH引水隧洞Ⅳ標項目工程主要位于新疆維吾爾自治區西部，隧洞呈圓形斷面，無壓流，采用現澆鋼筋混凝土襯砌，存在TBM卡機脫困問題，施工方案受到限制，鉆孔和灌漿加固方法不能有效實施。基于此，本文提出了小直徑敞開式的TBM卡機脫困技術[2]，并結合ABH引水隧洞Ⅳ標項目工程實際，設計了小直徑TBM在狹小空間使用鉆孔化學管徑加固方法快速擺脫TBM卡機的工程方案。

1 TBM卡機脫困技術研究方案

ABH引水隧洞Ⅳ標項目工程2017年2月3日掘進蝕變帶，特別是2017年8月1日進入破碎帶后，先后出現TBM大小卡機20余次。根據對現有地質資料及歷次卡機現象的整理分析，施工人員發現卡機的主要原因是：洞線穿越地層地質構造復雜，硬質巖中夾小顆粒石渣，TBM進入斷裂破碎及影響帶，在開挖后很短時間內隧洞掌子面失穩，出現坍塌現象，加之斷裂帶涌水起“催化劑”作用，大量石渣涌入刀盤，主機皮帶被壓停，積渣將溜渣槽充填密實，刀盤下部刀腔被積渣充填，40%的刀盤空腔被填滿，最后導致出渣不及，刀盤無法有效轉動，進而造成TBM卡機。因此，為了解決該問題，需對小直徑敞開式的TBM卡機脫困技術展開研究[3]。

1.1 前期TBM卡機脫困方案確定

因為停機處理時間較長，受到地下滲水影響，坍塌區域被刀盤反復切割后呈層狀連續剝落，松散層巖持續塌方，進而形成較大空腔，導致錨桿前端被壓垮，刀盤被松散渣體卡死[4]。為解決這一問題，本文設計了前期TBM卡機脫困方案：

1）崩塌區域噴射鋼纖維混凝土。

2）利用手風鉆打入直徑為25 mm的自進式錨桿，錨桿深度可達到手風鉆自掌子面前5～10 m左右，方便做花眼孔化學灌漿。

3）采用聚氨酯類堵水并加固材料，使刀盤上的石渣被固結，進而形成一個殼體結構。

4）采用人工清理方式，清理刀盤內部石渣，方便刀盤隨時轉動。

5）封閉一般鏟斗，減少石渣產出量。

6）使用TH梁配合鋼板支護[5]。

根據上述前期TBM卡機脫困方案進行了超前加固行為后，需進行多次刀盤轉動，方便對卡機脫困后續方案的實施[6]。

1.2 后期TBM卡機脫困方案確定

在前期脫困方案的基礎上，本文設計了后期脫困方案。

1.2.1 后期脫困施工工藝流程

確定后期脫困施工工藝流程如下：

1）施工準備。

2）超前固結圍巖。

3）查看刀盤能否發生轉動？如果可以轉動，則表明TBM成功脫困；如果不可以轉動，則表明需要人工清渣。

1.2.2 后期TBM卡機脫困方案

依據后期脫困施工工藝流程，設計了具體脫困方案。

1）超前固結圍巖

①刀盤內超前堵水

施工人員通過主梁內主機皮帶與主梁人孔進入刀盤內，利用風動鑿巖機刀孔和刮渣斗等部位向掌子面進行玻璃纖維自進式中空注漿錨桿施工，并通過化學灌漿泵進行化學灌漿，以固結掌子面塌方體[7]。具體技術要求如表1所示：

表1 刀盤內超前堵水具體技術要求

根據施工角度不同，分區域布置不同長度玻璃纖維錨桿，錨桿施工完成后采用化學灌漿泵進行注漿，在注漿過程中如發現刀盤內有化學灌漿液流入，則采用渣袋封堵。根據掌子面局部出水較多的情況，宜先從無水或少水位置注漿固結，最后采用固結時間較短、發泡倍率較高的堵水材料封堵出水較多的位置。注漿完成后清除刀座內的堵塞物，并切除外露玻璃纖維錨桿[8]。

②防塵盾割孔

為保證不良地質段TBM施工順利，使用液壓鉆機經鏟斗鉆孔實現超前鉆孔注漿功能。具體技術要求如表2所示：

表2 防塵盾割孔具體技術要求

自進式中空錨桿采用接桿施工，應根據施工空間盡量減小錨桿外傾角，注漿時如刀盤內出現漏漿，應停止注漿[9]。通過防塵盾處超前化學灌漿對刀盤及掌子面上方的圍巖進行加固，盡量減少刀盤轉動時掉碴量[10]。

③頂護盾尾部超前固結圍巖施工

根據TBM設備護盾尾部施工空間，對頂護盾尾部超前固結圍巖進行施工。具體技術要求如表3所示：

表3 頂護盾尾部超前固結圍巖施工具體技術要求

根據施工空間，錨桿有效長度應深入護盾中部，盡量減小錨桿外傾角，必要時按照設計通知對拱架腹板進行造孔[11]。如果注漿時出現漏漿，則需立刻停止注漿，通過護盾頂部化學灌漿對護盾上方圍巖進行加固，盡量減少刀盤轉動時的掉渣量。通過刀盤內與護盾尾部化學灌漿，對前方圍巖形成長度約3 m的止漿墻，同時設備上部形成相對穩定自然拱圈，從而起到保護刀盤、防止設備被困的作用[12]。

（2）轉動刀盤與人工清渣

掌子面和護盾上方塌落體通過化學灌漿固結后，可嘗試采用脫困模式轉動刀盤。TBM脫困模式為“電液混合動力”脫困模式，使用2個液壓馬達和8個電機共同帶動刀盤轉動，為國內首創。若刀盤轉動成功，則TBM卡機脫困成功；若刀盤轉動不成功，則進行人工清渣。掌子面和護盾上方塌落體通過化學灌漿固結后，如刀盤未能成功轉動，應該是刀盤整體被石渣包裹，局部位置被塊石堵塞，導致刀盤啟動失敗，解決該問題關鍵在于減少刀盤轉動阻力，讓刀盤啟動后能有從零轉速到脫困轉速加速空間，降低驅動系統在無實際動作時靜止荷載[13]。此時可通過人工清理方式將刀座、刮渣斗等部位渣體全部清理干凈，確認刀盤周圍無阻礙刀盤轉動渣體后，再次轉動刀盤實現最終脫困[14]。

1.3 TBM卡機脫困技術的實現

通過對掌子面和護盾頂部塌方體進行固結和對刀盤周圍渣體進行清理，啟動刀盤并同時強制后退，刀盤脫困成功。脫困扭矩最高達到10000 kNm以上，刀盤轉動后，扭矩在6000 kNm～9200 kNm之間跳動[15]。經過一定時間脫困轉動，刀盤扭矩逐步下降到5000 kNm左右。但是當刀盤停轉較長時間后，頻繁出現扭矩劇升至9000 kNm以上的現象。掘進施工過程中應根據實際情況采用正常模式，盡可能提高刀盤轉速和推進速度，以控制和減少出渣量。在掘進過程中，應嚴格控制出渣量，若出渣量超正常掘進渣量1.5倍，立即停止掘進，對掌子面進行固結后再進行掘進。若設備無法在正常狀態下掘進，需采用脫困模式施工。掘進中嚴格遵守“短進尺、緊支護、快推進”的原則，單次掘進長度30 cm（拱架間距為30 cm），盡量使刀盤緊貼掌子面，同時，加強施工管理及設備維護保養工作，減少停機時間，爭取TBM快速通過破碎帶。

2 實例分析

本文采用實例驗證分析法對小直徑敞開式TBM卡機脫困技術的合理性展開研究。

2.1 實驗條件設置

選擇ABH引水隧洞Ⅳ標項目工程作為實驗對象，對TBM卡機脫困技術進行驗證分析。ABH輸水隧洞長41.823 km，最大埋深約2268 m，設計輸水流量70 m3/s，洞徑5.3 m。該標段采用TBM和鉆爆法施工相結合方式，主要工程任務為17.2 km隧洞開挖支護和18.2 km二次襯砌施工。隧洞沿線存在高外水壓力與突涌水，隧洞圍巖變形大，強巖爆，高地溫，穿越大斷層破碎帶與巖體蝕變破碎帶等工程地質問題。

2.2 實驗結果與分析

下文將根據條件設置對實驗結果進行分析，即分別在隧洞環境影響和人為因素影響條件下，對比分析傳統方案和本文設計之小直徑敞開式方案。

2.2.1 隧洞環境影響

在隧洞環境影響下，將傳統方案和小直徑敞開式研究方案進行對比分析，對比結果如圖1所示。

圖1 兩種方案在隧洞環境影響下之研究效果對比分析

由圖1可知：無論是在坍塌情況下還是在刀盤涌水情況下兩種研究方案的最初研究效果是一致的，只是傳統方案研究效果略低一些，但是，隨著時間的延長，兩種方法研究效果都有所下降。當時間為8：00時，在坍塌情況下和刀盤涌水情況下，傳統方案研究效果分別為81%和78%；小直徑敞開式研究方案研究效果都為88%。當時間為12：00時，在坍塌情況下和刀盤涌水情況下，傳統方案研究效果分別為78%和60%，小直徑敞開式研究方案研究效果分別為85%和84%。當時間為16：00時，在坍塌情況下和刀盤涌水情況下，傳統方案研究效果分別為70%和50%，小直徑敞開式研究方案研究效果分別為84%和78%。當時間為20：00時，在坍塌情況下和刀盤涌水下，傳統方案研究效果分別為55%和35%，小直徑敞開式研究方案研究效果分別為80%和70%。由此可知，在隧洞環境影響下，小直徑敞開式研究方案對TBM卡機脫困技術研究效果較好。

2.2.2 人為因素影響

在人為因素影響下，將傳統方案和小直徑敞開式研究方案進行對比分析，對比結果如圖2所示。

圖2 兩種方案在人為因素影響下研究效果對比分析

由圖2可知：當實驗次數為1時，傳統方案研究效果為61%，小直徑敞開式方案研究效果為66%。當實驗次數為3時，傳統方案研究效果為48%，小直徑敞開式方案研究效果為70%。當實驗次數為5時，傳統方案研究效果為40%，小直徑敞開式方案研究效果為83%。當實驗次數為6時，傳統方案研究效果為36%，小直徑敞開式方案研究效果為85%。由此可知，在人為因素影響下，小直徑敞開式研究方案對TBM卡機脫困技術研究效果較好。

2.3 實驗結論

根據上述實驗內容，可得出實驗結論：

在隧洞環境影響下，兩種研究方案在坍塌情況下比在刀盤涌水情況下研究效果要好，當時間為16：00時，小直徑敞開式研究方案與傳統研究方案的研究效果相差最大。在人為因素影響下，當實驗次數為5時，小直徑敞開式研究方案與傳統研究方案的研究效果相差最大，最大值為43%。因此，小直徑敞開式的TBM卡機脫困技術運用是合理的。

3 結束語

3.1 結論

ABH引水隧洞Ⅳ標項目工程TBM脫困施工，通過超前固結圍巖、刀盤刀座清理以及電液雙驅脫困等方法成功地處理了由于刀盤前方、盾體周圍圍巖坍塌等造成的卡機，為后續積極應對小直徑敞開式TBM在施工過程中出現的這類問題積累了寶貴施工經驗，亦可在同類工程中推廣應用。

3.2 未來展望

開展TBM卡機脫困技術研究，科學預測破壞機理，能夠為穿越斷層破碎帶施工提供理論支持。雖然該技術具有較高研究效果，但是對于圍巖變形狀況，還有待分析。因此，在未來研究中，需要針對圍巖變形的TBM卡機脫困技術進行深入分析，進而提出更加合理的方案，保障施工方案的有效實施。